ערכת זכוכית חסינת השפעה לחולל מהפכה בשוק

זכוכית חסינת פגיעות יכולה להיות הצעד הגדול הבא בבטיחות, אלקטרוניקה, בנייה ועוד. צוות חוקרים בראשות מהנדסים מאוניברסיטת טוהוקו הציג מחקר המדגים שיטה לייצור זכוכית חסינת פגיעה. החומר הסופר עמיד הזה מתפקד ברמה מולקולרית, ומאפשר עמידות רבה יותר להתנפצות. הנה כל מה שאתה צריך לדעת על זכוכית חסינת פגיעות וכיצד היא יכולה לחולל מהפכה בתעשיות מרובות קדימה.

איך נשברת הזכוכית

כדי להבין את האופי המונומנטלי של מחקר זה, אתה צריך להבין כיצד זכוכית מסורתית נשברת. כאשר רוב האנשים חושבים על התנפצות זכוכית זה כוח ההשפעה. חפץ קשיח או שזז במהירות פוגע בזכוכית וגורם לה להתפרק באזורים חלשים יותר של החומר. זהו סוג השבר הנפוץ ביותר והוא גם בין המסוכנים ביותר מכיוון שהוא עלול לגרום לרסיסים של זכוכית חדה שנורה בכל האזור.

לחץ תרמי

סיבה נוספת לשבירת זכוכית היא אי התאמות תרמיות. יש ליצור זכוכית באופן ספציפי כדי להתמודד עם דינמיקה תרמית כראוי. אם לא, החומר יכול להתחמם ואף להימס בתנאים הנכונים, כמו חללית החוזרת לאטמוספירה.

סיבה נוספת לשבירה תרמית מתרחשת עקב פני השטח בונה כיסוי שיורי, וכתוצאה מכך חימום לא אחיד של הזכוכית. כאשר רק אזור נבחר של פיסת זכוכית מתחמם או קפוא, זה יכול לגרום לעיוות ובסופו של דבר להתנפץ בתנאים הנכונים.

גמיש

הפסקות גמישות ופיתולים נפוצים יותר בתרחישי בנייה. על בונים לקחת בחשבון את האופן שבו המבנים שלהם נעים ברוח בתנאים אטמוספריים וטמפרטורות שונות. חלון שהותקן בצורה לא נכונה או מהונדס עלול להתנפץ לפתע תחת כוח הפיתול של בניין בסופת רוח חזקה או רעידת אדמה.

תהליך ייצור פנימי

הדרך האחרונה שבה זכוכית התנפצה נובעת מתהליך ייצור פנימי לקוי. ישנם סוגים רבים ושונים של זכוכית, שלכל אחד מהם תערובת מיוחדת הנדרשת על מנת להבטיח את איכותה. אם כאב זכוכית מעורבב בצורה לא נכונה במהלך תהליך הייצור שלו, זה יכול לגרום ללחץ פנימי. מתח זה יוביל להיחלשות החומרים בתרחישים מסוימים.

סוג זה של שבירה הפך נפוץ יותר עקב יצירת חומרים מורכבים יותר מזכוכית למינציה ומחוסמת. במקרים מסוימים, התערובת תגרום לכך שהזכוכית תיחלש בקטע מסוים בגלל ההרכב הכימי שלה ולא בגלל הכוחות החיצוניים. זה נפוץ כאשר מופעלים כוחות תרמיים.

זכוכית שונה נשברת אחרת

חוקרים הבינו מזמן את החשיבות של זכוכית הנדסית שיכולה לעמוד בסביבה שהיא תוכננה לעבוד בתוכה. ככזה, יש כיום הרבה סוגים שונים של זכוכית זמינים להתמודדות עם התפקידים הרבים שהיא ממלאת.

זכוכית מחושלת

זכוכית מחושלת היא הסוג הנפוץ ביותר בשימוש כיום. העיצוב שלו קיים הכי הרבה זמן והוא מתנפץ כמו שהייתם מצפים, ויוצר חתיכות גדולות ומשוננות חדות. זכוכית מחושלת ראתה שימוש מופחת בימינו בגלל חלופות בטוחות יותר. עם זאת, היא עדיין הזכוכית הקלה, הזולה והנפוצה ביותר כיום.

זכוכית מחוסמת

זכוכית מחוסמת היא סוג מיוחד של תערובת המבטיחה שהזכוכית תתנפץ לחתיכות קטנות יותר. סגנון זה של זכוכית נחשב לבטוח יותר מזכוכית מסורתית מכיוון שרסיסים עלולים לגרום לפציעות מכיוון שהם יכולים להתנהג כמו סכינים מעופפות כאשר הם מתנפצים. חתיכות קטנות יותר של זכוכית שבורות אומרות פחות סיכוי לחבלות גדולות.

זכוכית רבודה

זכוכית רבודה לוקחת את הרעיון של זכוכית מחוסמת והולכת צעד קדימה. סגנון זה של זכוכית מסתמך על שכבות מרובות עם חתיכת פלסטיק שקוף דק ביניהן. פריסה זו מאפשרת לזכוכית להפוך לעמידה להתנפצות. הפלסטיק מחזיק את הזכוכית המנופצת יחד, ומונע מחלקים גדולים להיות מוקרנים לתוך רכב או חדר.

הבנה חדשה של זכוכית

במשך מאות שנים, חוקרים התעמקו בדרכים לשיפור עמידות הזכוכית והפחתת נזקי התנפצות. עד לאחרונה, רוב המחקרים הללו היו מווסתים לניסויים והתקדמות במדעי הכימיה והחומר. עם זאת, המחקר האחרון הזה הוא הראשון להתעמק בשבירת זכוכית ברמה מולקולרית עמוקה.

חוקרים רצו להשיג הבנה חדשה של מה קורה כאשר מולקולות זכוכית נפרדות. עד לאחרונה, האופטיקה והציוד לביצוע מחקר ברמה זו לא היו קיימים. באופן ספציפי, חוקרים יצטרכו להיות מסוגלים לנטר את מולקולות הזכוכית כשהן נעות במסגרות זמן של ננו-שניות.

מחקר זכוכית חסינת השפעה

עבודת המחקר¹, שפורסם בכתב העת אקטה מטריליה, מעמיק ב-Johari–Goldstein (JG) ברמה אטומית. תהליך ג'והארי-גולדשטיין (JG) נוצר בשנת 1969 כדי לתאר את ההתנהגות המולקולרית של חומרים זכוכיתיים בתנאים מסוימים. במקור, הוא שימש להסבר התכה של זכוכית, אך במהלך עשרות השנים, הוא שימש לתיאור שינויים רבים במצב הזכוכית.

החוקרים השתמשו בתיאוריה זו לצד מודל ממוחשב שנבנה במיוחד וניטור ברמה מולקולרית של אטומים כדי לקבוע מה בדיוק קורה בנקודת שבירת הזכוכית. מה שהם מצאו היה שהאטומים בתוך הזכוכית יקפצו למיקומים חדשים תחת לחץ של פגיעה או לחץ.

מקור - Makina Saito

האטומים שמסביב יזרמו לחלל החדש שנפתח, ימלאו את החלל ויסייעו להפיג חלק מהלחץ של החלקים הבלתי נשברים. באופן ספציפי, הצוות הצליח לזהות תנועות אטומיות בדגם הכמו-כדורי-יוני-זכוכית-יוצר Ca0.4K0.6(NO3).

דוגמנות תנועה אטומית

הדמיית המחשב אפשרה לצוות להרחיב את הניסוי שלהם על פני מגוון רחב של גורמים. הם יכולים להתאים פרמטרים שונים כגון כיפוף, טמפרטורה וכוח השפעה. המודלים הניבו תוצאות אמינות שקידמו את התובנה של הצוות לגבי הסיבה לזכוכית נשברת כמו שהיא נשברת.

בדיקת זכוכית חסינת פגיעה

בדיקת התיאוריה כללה ניטור התנועה האטומית באמצעות התערבות תחום זמן רנטגן. גישה זו אפשרה ניטור אטומי על מסגרת זמן של ננו-שניה, ואיפשרה לצוות לבצע, לנטר ולהקליט נתונים מניסויי קרינת סינכרוטרונים שונים.

הדמיות מחשב מזכוכית חסינת אימפקט

אחד ההיבטים הייחודיים ביותר של מחקר זה היה השימוש בסימולציות ממוחשבות. הצוות הקליט את הנתונים שהם תפסו במהלך ניסויי הקרינה והשתמש במידע זה כדי ליצור הדמיית מחשב. הדמיית הדינמיקה המולקולרית (MD) אפשרה לצוות לשפר את הבדיקות שלהם לרמות חדשות תוך שמירה על עלות המחקר.

תוצאות זכוכית חסינות פגיעה

תוצאות המחקר של הצוות היו מאירות עיניים. הם גילו שרוב חלקיקי הזכוכית היו נתונים לתנועות בקנה מידה אנגסטרם בסולם ננו-זמן. המידע הזה אפשר להם לקבוע שהם יכולים לשפר את הקפיצות האטומיות ואת התנועה הקולקטיבית של אטומים באופן שמביא לחומרים הרבה יותר גמישים. בעתיד, הם יוכלו להשתמש בנתונים האלה כדי ליצור זכוכית שהוסיפה חוזק מולקולרי בנקודות הגמישות, ולמנוע כשל קטסטרופלי.

יתרונות זכוכית חסינת השפעה

יש הרבה יתרונות שהמחקר הזה מביא לתעשיית הזכוכית. ראשית, זה ישפר את הבטיחות בכל רחבי הלוח. זכוכית בטיחותית, חלונות רכב, עמדות ניטור ואפילו כלים ואלקטרוניקה ייהנו מחלופות זכוכית עמידות ובטוחות יותר.

זכוכית חסינת פגיעות יכולה לאפשר לחוקרים לייצר זכוכית שנשברת גם בדפוסים מסוימים. סגנון זה של הפסקה תכליתית יאפשר להם להפחית ניפוצים מסוכנים בתרחישים שבהם צריך להיות צורה כלשהי של שחרור מתח בלחץ מסוים. תחשוב על איך קרקרים מלוחים נשברים על הקווים המקווקוים.

טכנולוגיה זו כבר בשימוש בחומרי בניין אחרים. לדוגמה, למדרכה שלך יש קווים ספציפיים שנועדו להיסדק כאשר לחץ הקרקע נע מול הבטון פוגע בנקודה הקריטית שלה. גישה זו מאפשרת למהנדסים לחזות מראש הפסקות ולמקם אותם באופן שיישאר מסודר. ניתן להשתמש באותה גישה עבור מבני זכוכית, ולשפר עוד יותר את הבטיחות.

תקנים חדשים לזכוכית חסינת אימפקט

יתרון נוסף שאסור להתעלם ממנו הוא המטרה של הצוות ליצור תקני בטיחות חדשים לתעשייה. כבר עכשיו, זכוכית מחוסמת ולמינציה הפכה את החיים לבטוחים יותר עבור מיליונים. יצירת קווים מנחים אוניברסליים לעיצוב זכוכית עם עמידות גבוהה בפני פגיעות עשויה לפתוח את הדלת לרמה חדשה של בטיחות באלפי תעשיות. זה גם יאפשר ליצרנים ליצור מוצרים טובים יותר שניתן להחזיק בתקני בטיחות גבוהים יותר.

חוקר זכוכית חסין השפעה

מחקר זה הובל על ידי פרופסור מקינה סאיטו וצוות חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו. במחקר פורץ דרך זה השתתפו גם אוניברסיטת קיוטו, אוניברסיטת שימאן, המכון הלאומי למדעי החומרים והמכון לחקר קרינת סינכרוטרון ביפן. כעת, הצוותים הללו מבקשים לקדם את המחקר שלהם ליצירת הזכוכית העמידה ביותר אי פעם.

יישומים

ישנן דרכים רבות בהן ניתן ליישם זכוכית חסינת פגיעה במדעים הנוכחיים. ראשית, זה יכול לעזור להפוך את האלקטרוניקה שלך ליותר עמיד. אם אי פעם הפלת את הטלפון שלך וסדקת את המסך, אתה מבין עד כמה זכוכית חסינת פגיעות תהיה מועילה למיליוני אנשים ברמה האישית.

בניה

תעשיית הבנייה תרוויח מאוד משילוב זכוכית חסינת פגיעות. חומר זה יכול לעזור להם ליצור יותר מבנים עמידים בפני הוריקן וטורנדו. זכוכית עמידה בפני פגיעות יכולה לעמוד גם בפני רוחות חזקות וטמפרטורות קיצוניות, ומספקת לבונים אפשרויות אוניברסליות ויעילות יותר.

צבא

שימוש נוסף בטכנולוגיה זו יהיה ליצור זכוכית חסינת כדורים עמידה יותר. הסכסוכים הגלובליים המתמשכים מדגישים עד כמה תחמושת קטנה ואישית נעשית חכמה יותר. ככזה, זה הפך אפילו יותר חשוב לספק לאנשי צבא את ההגנה שהם צריכים מבלי להגביל את המודעות למצב. מחקר זה עשוי להביא לזכוכית חסינת כדורים עמידה במיוחד שיכולה לעמוד בפני פגיעות שיגרמו לנפגעים כיום.

חברות שיכולות להפיק תועלת ממחקר זכוכית חסינת השפעה

רשימת החברות שיכולות להפיק תועלת מזכוכית עמידה יותר לריסוק היא נרחבת. מיצרני רכב ועד ליצרני אלקטרוניקה, זכוכית היא מרכיב חיוני במכשירים של ימינו. ככזה, כל דרך לחזק אותו, להפחית את עלויות הייצור שלו או לשפר את היכולות שלו מבורכת. הנה חברה אחת שיכולה לשלב את הטכנולוגיה הזו כדי לראות רווחים בעתיד.

קורנינג בע"מ

קורנינג בע"מ (GLW -0.35%) הוא אחד מהיצרנים המובילים של זכוכית מגן וטכנולוגיות הקשורות לזכוכית. החברה עומדת מאחורי מותג המגן הפופולרי Gorilla Glass. היא מתמחה באופטיקה מתקדמת, זכוכית תצוגה וטכנולוגיות תקשורת אופטיות אחרות.

Corning Inc. היא חלוצה בתעשייה עם כלכלה חזקה. לחברה אקוסיסטם גדול של שותפים, משקיעים וחוקרים הפועלים יחד על מנת לשמור על מיצובה הבולט של החברה. לאחרונה הודיעה החברה על שותפות אסטרטגית עם AT&T, המרחיבה הסכם רכישה רב שנתי בין שני הקונגלומרטים.

קורנינג בע"מ היא אחת החוקרים המובילות באופטיקה מתקדמת. היא עבדה עם מנהיגים בתעשייה במשך עשרות שנים כדי לסייע במתן פתרונות לבעיות שוק מורכבות. כיום, היא מוכרת כאחת מיצרניות הזכוכית המובילות בעולם.

GLW היא מניה חכמה שיש לקחת בחשבון מכמה סיבות. ראשית, קורנינג בע"מ ביצעה כמה רכישות נבונות בעבר, כולל SpiderCloud ב-2017, STRAN Technologies ב-2016, ו-Allied Fiber Optic Products ב-2016. כל אחת מהרכישות הללו קידמה את היכולות של החברה ושיפרה את בסיס הלקוחות שלה.

שלנו

העתיד של זכוכית חסינת פגיעות הוא בהיר. התקדמות אלו עשויות להוביל לטיסות בטוחות יותר, נסיעות, אופטיקה, אלקטרוניקה, מבנים ועוד. אתה יכול לצפות לראות חוקרים מתעמקים בשימוש בחומר זה כדי לספק הצצה חדשה לעולם. מצוללות שקופות ועד חלליות שנועדו לעמוד בחום השמש, לחוקרים יש הרבה אפשרויות לחקור.

Impact Proof Glass ישפיע.

קל לראות שזכוכית עמידה יותר תגרום לכמה התקדמות מגניבה במגזרים מרובים. אתה חייב לשבח את צוות המחקר הזה על שהציג שיטות ומודלים חדשים כדי לעזור לכולם להבין בדיוק מה ומתי הזכוכית מגיעה לנקודת השבירה שלה. ביטול הגורמים הללו פותח את הדלת לעתיד בטוח ותוסס יותר.

למד על התקדמות אחרות במדעי החומר היום.

התייחסות למחקר:

^{1. Saito, M., Araki, T., Onodera, Y., Ohara, K., Seto, M., Yoda, Y., & Wakabayashi, Y. (2024). גילוי של תנועות קולקטיביות ללא קפיצה המובילות לתהליך ג'והארי-גולדשטיין של הרפיית מתח בזכוכית יונית דגם. אקטה מטריליה, 262 120536. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120536}